Balances de materia y energía
El dominio de balances evalúa la formulación y solución de balances de materia y energía en estado estacionario y no estacionario, con reciclo, purga y derivación. El examen insiste en la frontera del sistema, la base de cálculo y los grados de libertad.
Reglas clave
- Ecuación general: acumulación = entradas − salidas + generación − consumo.
- En estado estacionario la acumulación es cero; en transitorio se escribe como derivada respecto al tiempo.
- Grados de libertad = incógnitas − ecuaciones independientes. Si es cero, el sistema está especificado.
- El reciclo aumenta la conversión global sin cambiar la conversión por paso; la purga evita acumulación de inertes.
- Energía en estado estacionario: Q − W = ΔH + ΔEC + ΔEP. Define estados de referencia y distingue calor sensible, latente y de reacción.
Ejemplo resuelto
Se mezclan 100 kg/h de disolución acuosa al 20% en peso de NaOH con 50 kg/h de disolución al 50%. Balance total: 100 + 50 = 150 kg/h. Balance de NaOH: 0.20(100) + 0.50(50) = 20 + 25 = 45 kg/h. La fracción másica de salida es 45/150 = 0.30, es decir 30% w/w. La comprobación con el agua: 80 + 25 = 105 kg/h, y 105/150 = 0.70; las fracciones suman uno. No hay reacción ni acumulación.
Errores que cuestan puntos
- Confundir fracción másica con fracción molar.
- Omitir la purga en un reciclo con inertes y reportar acumulación falsa.
- Usar entalpías de formación sin un estado de referencia consistente.
- Ignorar el calor de mezcla o el calor latente en un cambio de fase.
- Plantear ecuaciones dependientes y creer que hay más grados de libertad de los reales.